一条看似显然到无需检验的定律
你已经认识了弱相互作用，也见过它在β 衰变里施展招牌好戏——把一个中子变成质子，同时吐出一个电子和一个中微子。这篇指南要讲的，是那种力的一项性质，它怪异到一旦被发现，便比这整一阶梯里几乎任何事都更猛烈地震动了物理学家。弱相互作用能分辨左和右。要体会这为什么令人震惊，我们先得弄清它打破的那项对称性：宇称。
宇称就是镜像对称性：取任意一个物理过程，把它像照镜子那样反射一下，再问：这个被反射的版本，是不是自然也允许的事？几个世纪以来，这似乎毋庸置疑。扔下一个球，看它的镜中孪生兄弟以同样的方式落下。看行星运行；那个镜像里的太阳系遵守着一模一样的定律。引力、电磁力、强相互作用——人们研究过的每一种相互作用，在镜子里看上去都分毫不差。结论似乎无可回避：宇宙对左右并没有内在的偏好，就像它对南北没有偏好一样。宇称被当作大自然最深层的对称性之一，不是一个有待检验的假设，而是一块可供据以建造的基石。
两位物理学家，斗胆去问那个没人问的问题
到了 1950 年代中期，有一道恼人的谜题。某种粒子似乎有时衰变成两个 π 介子、有时衰变成三个——而 π 介子带着确定的宇称，于是一个衰变成两个的态，不可能和一个衰变成三个的态有相同的宇称。要么存在两个几乎一模一样、却宇称相反的粒子（一个丑陋的巧合），要么就是同一个粒子在以宇称相反的方式衰变。1956 年，理论物理学家李政道和杨振宁注意到一件叫人尴尬的事。所有人都假定宇称在这个衰变里成立，只因所有人都假定宇称永远成立。可这是一个弱衰变——而当他们把文献梳了个遍，他们发现：宇称对强相互作用和电磁相互作用都被仔细检验过，对弱相互作用却从未被干净利落地验过哪怕一次。
这是关于科学究竟如何运作的一堂漂亮的课。一个普遍到没人想过要去检验的信念，恰恰是最值得去检验的那个信念。李政道和杨振宁并没有断言宇称被破坏了；他们走了更锋利的一步——提出若干具体的实验，可以从正反两面对此作出裁决。倘若弱相互作用尊重那面镜子，实验就会这么说。倘若它不尊重，实验就会把它逮个正着。重担从「假定」转向了「测量」——这正是一项被假定的对称性与一项被检验过的对称性之别的核心。
吴健雄的钴实验：自旋朝一边，电子偏另一边
那个一锤定音的实验，是吴健雄在 1956 年做的，并于 1957 年初公布。她的想法很干净。取钴-60，一种会发生 β 衰变的放射性原子核，把这些原子核的自旋排齐，让它们统统朝同一个方向。（自旋赋予每个原子核一种转动感，你用磁场把这种转动方向立起来——但为了不让这份排齐被热运动搅乱，整份样品必须冷却到绝对零度之上仅一发之遥。）然后只消盯着放出的电子往哪个方向飞：是顺着自旋，还是逆着自旋？
精妙之处就在这里。自旋是物理学家所说的转动轴，而镜子对转动做了一件鬼祟的事：它让自旋轴依旧指向原来的方向，却把寻常的运动方向给翻转了。于是，倘若弱相互作用尊重那面镜子，电子就必须相对于自旋上下对等地出来——任何前后的偏好在镜子里看上去都会两样，因而都是被禁止的。一个干净的对半开，意味着宇称成立。任何的偏向一边，都意味着它被破坏了。
电子出来得偏了。它们更倾向于朝着与核自旋相反的方向射出——一种强烈而不容误认的不对称。大自然，通过弱相互作用，正在把一个方向与它的镜像区分开来。宇称不是被破坏了一点点；在弱相互作用里，它被破坏到几乎不能再坏的地步。那个镜中的世界，和我们的并不一样。消息传开时，据说有一位著名的物理学家在亲眼看到数据之前死活不肯相信；这个结果，就是这么惊人。
为什么会这样：弱相互作用只抓「左手」粒子
那么弱相互作用究竟是盯着什么呢？深层的答案是手征性，一种内在的左右手性，由一个粒子的自旋与它的运动方向交织而成。设想一个粒子像螺丝锥那样向前旋进：如果它扭转的方式，恰如你左手大拇指朝前时手指蜷曲的方向，就叫它左手的；反过来，就是右手的。（严格说来，这种「自旋对运动方向」的螺丝锥图像其实是*螺旋度*；手征性才是更深层、与参考系无关的版本，而对于弱相互作用所作用的那些快速、近乎无质量的粒子，两者是一致的。）令人惊讶的事实是：弱相互作用几乎只与每个粒子的左手版本耦合（以及每个反粒子的右手版本）。一个右手电子，对于带电的弱相互作用基本上是隐形的。镜子，自然，会把一支左手螺丝锥变成右手的——这恰恰正是弱相互作用在镜子里显得两样的原因。
mirror (parity): left-handed <--> right-handed (flips handedness) weak force couples to: LEFT-handed particles (and RIGHT-handed antiparticles) weak force ignores: RIGHT-handed particles (and LEFT-handed antiparticles) => the mirror-image of a weak process is one the weak force barely allows => parity is violated
这一点在中微子身上最为鲜明——就是你在本阶梯前面认识的那个幽灵般的轻子，它只感受弱相互作用。几十年来，每一个被探测到的中微子似乎都是左手的、每一个反中微子都是右手的——仿佛右手中微子干脆什么都不参与。（我们如今知道中微子带有微小的质量，这使那个严格的说法变得复杂，但那个压倒性的图样依然成立。）中微子是弱相互作用最纯粹的镜像不对称之物：一个在极好的近似下只以一种手性出现的粒子。
用反物质来挽救那面镜子——以及它失手之处
面对一面破碎的镜子，物理学家试着去修。也许真正的对称性不是宇称本身，而是宇称与「把每个粒子换成它的反粒子」合在一起——这个交换叫做电荷共轭，简记为 C。这份指望很整洁：把世界在镜子里反射（P），同时把所有物质都变成反物质（C），也许这个合起来的操作——叫做 CP——终于会是那个精确的对称性了。一个左手中微子反射成一个右手中微子（弱相互作用对它视而不见），但若再施以 C，它就变成一个右手反中微子——而这恰恰是弱相互作用所允许的。有那么一阵，CP 看上去就是大自然真正遵守的那条定律，P 和 C 各自破缺，它们的乘积却得以复原。
这是个可爱的修补，可它错了——尽管只错了一丝一毫。1964 年，中性 K 介子的衰变揭示出：连那个合起来的 CP 对称性也被破坏了，只不过这一回是极微小的量，而非触目惊心的程度。于是弱相互作用把镜子破坏得很厉害（P），把物质-反物质交换破坏得很厉害（C），甚至把它们精心合起来的版本也轻轻破坏了一点（CP）。那面修好的镜子，自己也有一道细微的裂纹。而那点残留的瑕疵，结果竟是物理学中最珍贵的事实之一。
为什么珍贵？因为宇宙是由物质构成的、几乎没有反物质，而一个对镜像与反物质都完美对称的宇宙，本会把自己湮灭成一片纯粹的光。物质与反物质在行为上有那么一点小小的差异，是我们得以存在的先决条件——而 CP 破坏，是我们手中唯一一个被确证的此类差异的例子。弱相互作用的左右手性，最初在吴健雄那冰冷的钴里被瞥见，却顺着这根线索，一直牵向那个最深的问题：为什么是「有」，而不是「无」。下一篇指南将接起本阶梯故事的另一半——这同一种弱相互作用，原来竟是单一电弱相互作用的一张面孔——而稍后那个专门讲对称性的阶梯，会再完整地回到 C、P、T 和 CP。